一种水平潜流人工湿地碳氧联合调控脱氮系统

摘要

本发明公开了一种水平潜流人工湿地碳氧联合调控脱氮系统，它具有处理池，处理池的前端顶部装有进水管，处理池的尾端顶部装有排放管，在处理池内腔中填装有土壤，土壤上种植有若干株水生植物，其特征是：在土壤中的后半部垂直插装有至少3行3列碳源投加管，在土壤中的前半部分上、中、下三层，每层分别水平布置有至少3根间隔并排布置的微孔曝气管，所有微孔曝气管的前端通过导气管汇集连接地表上的空气压缩机，所有微孔曝气管的尾端密封；本发明将硝化作用和反硝化作用进行了有机组合，使脱氮效果大大提高，同时克服了现有曝气管曝气不均匀、能耗高，容易堵塞等问题，本发明特别适合于处理含氮废水及污染湖泊水体等“低碳高氮”的污水。

说明书

㈠.技术领域：本发明属于环境工程污水处理技术领域，更具体涉及一种水平潜流人工湿地碳氧联合调控脱氮系统，适用于生活污水、受污染地表水、富营养化水体、含氮废水等“低碳高氮”污水的处理。

㈡．背景技术：氮是表征地表水水质状况的主要污染物指标之一，也是影响水生态系统健康和稳定的重要因素。目前，我国南方许多受污染水体都存在着COD较低而氮、磷含量相对较高的特点，其C:N:P的比例远低于100:5:1，不利于现有生物处理系统对氮的去除。

人工湿地是二十世纪七十年代发展起来的一种污水处理工艺，具有投资省、效率高、环境效益好等优点，已经被广泛应用于某些工业污水、生活污水等点源污染、农村面源污染以及城市污染水环境的治理，对TSS、COD等化学指标有较为理想的处理效果。然而，对于含氮废水、污染湖泊水体等这类“低碳高氮”的特殊污水，现有湿地系统对氮的去除效果却并不理想，尚不能满足水体功能的水质要求，提高湿地系统对氮的去除效率非常必要。

人工湿地是系统对于氮的去除作用包括基质的吸附、沉淀、水生植物的吸收、氮的挥发以及微生物的硝化与反硝化作用，其中微生物的硝化与反硝化作用是湿地脱氮的主要途径。硝化反应是将NH₄⁺-N转化为NO₃^--N的过程，它是一个氧化反应，需要好氧的湿地土壤环境条件；而反硝化反应是将NO₃^--N转化为N₂的过程，它是一个还原反应，需要厌氧的湿地土壤环境条件和充足的碳源。由于潜流人工湿地经常处于饱水状态，这种自身构造的限制致使湿地内溶解氧浓度偏低，硝化反应不彻底。同时，有机物在硝化阶段被大量分解转化，导致反硝化阶段碳源不足，反硝化细菌的活性降低，从而使得反硝化反应减慢，脱氮效率大大降低。尤其是当处理“低碳高氮”特殊污水时，湿地的脱氮效果更差。

针对以上问题，当前潜流人工湿地强化脱氮的措施有：一是通过自然通气或人工强化通气提高湿地内溶解氧水平，增强硝化作用；二是向湿地内投加碳源促进反硝化作用。这两种强化措施存在以下不足：

1、湿地脱氮依赖于微生物的硝化作用与反硝化作用两个反应过程，而以上两种强化措施将这两个过程孤立起来，没有有机结合，仅提高硝化作用或者反硝化作用，虽然有一定效果，但脱氮效率有限;

2、目前湿地的自然通气或人工强化通气都是采用的穿孔曝气管，而现有曝气管主要是采用单一PVC塑管或钢管制成，其上穿孔孔径大（一般为3-10mm）且分布稀疏，从而导致曝气气泡大，曝气不均匀、能耗高，而且停止曝气时沙砾极易进入曝气管内，堵塞曝气管上的穿孔。

㈢发明内容：本发明的目的在于克服上述脱氮措施存在的不足，提供一种水平潜流人工湿地碳氧联合调控脱氮系统。

本发明的具体设计方案是:针对现有的水平潜流人工湿地脱氮系统进行改进，它具有处理池，处理池的前端顶部装有进水管，处理池的尾端顶部装有排放管，且在处理池尾部装有隔板，形成排水腔，隔板的下部设有放水孔将排水腔与处理池内腔连通，在处理池内腔中填装有土壤，土壤上种植有若干株水生植物，其特征是：在土壤中靠处理池后半部垂直插装有至少3行3列碳源投加管，在土壤中靠处理池前半部分上、中、下三层，每层分别 水平布置有至少3根间隔并排布置的微孔曝气管，所有微孔曝气管的前端通过导气管汇集连接地表上的空气压缩机，所有微孔曝气管的尾端密封。

本发明中所述微孔曝气管是由支撑管和包裹其外的硅橡胶曝气膜组成，所述支撑管外壁上开有至少四条轴向布置的通气槽，每条通气槽中位于支撑管的上端开有进气孔，孔径为0.5-1.0mm；硅橡胶曝气膜上密布有微孔，孔径为0.03-0.08mm。

本发明中所述碳源投加管上开有沿轴向排列的四排均布的通孔，相邻两排通孔上下错位布置，且每排中通孔与通孔之间的距离为100-150mm，所有通孔的孔径设计为3-6mm。当然通孔以其它方式分布也是可行的，但以整个管壁进行均布是更合理的。

本发明中所述碳源投加管中投加有葡萄糖、淀粉、蔗糖、甲醇、乙醇其中的一种或任意组合。

本发明中所述进水管高于土壤表面布置；所述排放管低于土壤表面布置。

与已有技术相比，本发明的有益效果体现在：

1. 本发明利用在土壤水平潜流人工湿地前端曝气增强硝化作用，后端碳源调控促进反硝化作用，从而大大提高了湿地脱氮效果；

2. 本发明采用的微孔曝气管为支撑管加硅橡胶膜制成，不易锈蚀，使用寿命长；激光打孔，微孔均匀细小，产生气泡小，充氧效率高，与目前其它曝气装置相比，可以大大节省电耗；而且停止曝气时微孔收缩闭合，不易产生孔眼堵塞；

3.本发明使用中控制空气压缩机的比曝气速率为0.1～0.5 m³/(h·m²)，停曝时间比为15min:15min～60min:15min，可使碳源投加管中碳源投加量为1.0～2.5 g/m³时，系统脱氮效率最高。

㈣.附图说明：

图1是本发明系统总体结构主视（示意）图；

图2的本发明系统总体结构俯视（示意）图；

图3的本发明中微孔曝气管结构示意图；

图4是本发明中碳源投加管结构示意图。

图中：1—空气压缩机，2—进水管，3—导气管，4—处理池，5—微孔曝气管，6—土壤，7—水生植物，8—碳源投加管，9—隔板，10—排水腔，11—排放管，12—放水孔，13—聚丙烯支撑管，14—硅橡胶曝气膜，15—微孔，16—进气孔，17—通气槽，18—通孔。

㈤.具体实施方式：

参见图1、2，本发明具有处理池4，处理池4的前端顶部装有进水管2，处理池4的尾端顶部装有排放管11，且在处理池4尾部装有隔板9，形成排水腔10，隔板9的下部设有放水孔12将排水腔10与处理池4内腔连通，在处理池4内腔中填装有土壤6，土壤6上种植有若干株水生植物7（可以是芦苇、美人蕉、香蒲、莎草、灯心草、水葱等等），其特征是：在土壤6中靠处理池4后半部垂直插装有3行3列（还可以是更多行更多列设置）碳源投加管8，在土壤6中靠处理池4前半部分上、中、下三层，每层分别水平布置有3根（可以是更多根）间隔并排布置的微孔曝气管5，所有微孔曝气管5的前端通过导气管3汇集连接地表上的空气压缩机1，所有微孔曝气管5的尾端密封。

本实施例中所述微孔曝气管5是由聚丙烯支撑管13和包裹其外的硅橡胶曝气膜14组成，所述支撑管13外壁上开有八条（至少有四条即可）轴向布置的通气槽17，每条通气槽中位于支撑管的上端开有进气孔16，孔径为0.5-1.0mm，具体可选0.8mm；硅橡胶曝气膜14上密布有微孔15(采用激光打孔)，孔径为0.03-0.08mm，具体可选0.05mm。

本实施例中所述碳源投加管8上开有沿轴向排列的四排均布的通孔18，相邻两排通孔18上下错位布置，且每排中通孔与通孔之间的上下距离为100-150mm，具体可选120mm,所有通孔18的孔径设计为3-6mm,具体可选5mm。

本实施例中所述碳源投加管8中投加有葡萄糖、淀粉、蔗糖、甲醇、乙醇其中的一种或任意组合。

本实施例中所述进水管2高于土壤6表面布置；所述排放管11低于土壤6表面布置。

本发明具体实施时，为了同时促进硝化作用和反硝化作用，提高湿地脱氮效果，空气压缩机1的比曝气速率为0.1～0.5 m³/(h·m²)，停曝时间比为15min:15min～60min:15min，碳源投加管5中碳源投加量为1.0～2.5 g/m³。

本发明工作过程：

通过进水管向土壤采用间歇进水、推流出水的工作方式，当污水经进水管进入湿地前端时，启动空气压缩机1，其产生的高压空气经导气管3、微孔曝气管5进入湿地内部，从而增加了污水中的溶解氧，使湿地前端形成了好氧环境条件，促进了硝化反应的发生（NH₄⁺-N转化为NO₃^--N）；当此部分含有大量NO₃^--N的污水被水平推流至湿地后端时，通过碳源投加管道进行碳源调控，补充反硝化所需的碳源，且湿地后端仍处于厌缺氧环境条件，从而促进了反硝化反应的进行（NO₃^--N转化为N₂），最终实现了对氮的高效去除。

在本发明上述实施例中，土壤中（L×B×H=1m×0.5m×0.4m）前半部的上层、中层和下层分别设置3个并联连接的微孔曝气管，在后半部垂直布置3行3列共9个碳源投加管道。进水采用人工配水，当水力负荷为0.4m³/(m²·d)，COD、总氮、氨氮均值分别为30mg/L、28.4mg/L、25.2 mg/L，空气压缩机的比曝气速率为0.1～0.5 m³/(h·m²)，停曝时间比为15min:15min～60min:15min，碳源投加管中葡萄糖投加量为1.0～2.5 g/m³，测定结果COD、总氮、氨氮的去除率分别为50.6%、86.3%、99.2%。实验结果表明通过在水平潜流人工湿地前端增氧、后端补充碳源的方法显著提高了湿地脱氮效率。